【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 計(jì)計(jì)算過(guò)程（同樣以頂銷式圓柱滾子超越離合器為例） 超越離合器受力分析： 首先，將超越離合器圓柱滾子視為受力體進(jìn)行分析（注：受力狀態(tài)為超越離合器楔合狀態(tài)，此時(shí)圓柱滾子被楔緊）。其受力圖見(jiàn)圖 33 圖 33 圓柱滾子受力分析圖 1—— 外環(huán)齒輪 2—— 頂銷（彈簧） 3—— 內(nèi)環(huán)凸輪 4—— 圓柱滾子 根據(jù)受力圖可以列出以下平衡方程組： 長(zhǎng)春工業(yè) 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 17 F2 = F1 cosα + f1sinα （垂直方向上受力平衡） f2 + f1cosα— F1sinα≧ 0 （水平方向上受力 保證圓柱滾子越擠越緊 ） f1 = F1μ 1 （ 摩擦力 計(jì)算公式，注意方向） f2 = F2μ 2 （ 摩擦力 計(jì)算公式，注意方向） 上式中： f1： 外環(huán)齒輪與 圓柱滾子間的摩擦力 f2： 內(nèi) 環(huán) 凸 輪與 圓柱滾子間的摩擦力 F1：外環(huán)齒輪對(duì)圓柱滾子的正壓力 F2：內(nèi)環(huán)凸輪對(duì)圓柱滾子的支撐力 μ 1： 外環(huán)齒輪與 圓柱滾子間的摩擦 系數(shù) μ 2： 內(nèi) 環(huán) 凸 輪與 圓柱滾子間的摩擦系數(shù) α ： 楔形角 對(duì)上述方程組進(jìn)行化簡(jiǎn)整理可得： 在超越離合器工作時(shí)，充滿油液的摩擦副間的摩擦系數(shù)可近似取相等值即有下式： 根據(jù)萬(wàn)能公式變換： 可得： ? ? 12/tan ?? ? ① 21211tan ?? ??? ? ??2111 2tan ??? ??/2)(tan1 /2)2t a n( tan 2 ??? ??第三章 ZL30 變速箱超越離合器的設(shè)計(jì) 18 然后，將圓柱滾子和內(nèi)環(huán)凸輪視為一個(gè)整體，則 有： Ts = f1 R Z ② 上式中： Ts：超越離合器所傳遞的計(jì)算力矩 f1： 外環(huán)齒輪與 圓柱滾子間的摩擦力 R：外環(huán)齒輪的內(nèi)孔半徑 Z：圓柱滾子數(shù)目 將① 式代入② 式中整理可得： 在計(jì)算接觸強(qiáng)度時(shí)取其最大值： ③ ③ 式即為計(jì)算超越離合器圓柱滾子外環(huán)齒輪之間的正壓力。 計(jì)算各摩擦副間的最大接觸應(yīng)力 從失效分析中我們知道超越離合器中的圓柱滾子、內(nèi)環(huán)凸輪、外環(huán)齒輪是依 靠表面接觸工作的零件，他們的工作能力不僅與整體強(qiáng)度有關(guān)，還與接觸表面的強(qiáng)度有關(guān)。其失效形式為接觸疲勞磨損（疲勞點(diǎn)蝕），發(fā)生的主要原因是零件工作表面受到破壞，降低了工作能力，并引起振動(dòng)和噪聲，最終導(dǎo)致超越離合器失效。 由于超越離合器中的圓柱滾子、內(nèi)環(huán)凸輪、外環(huán)齒輪在工作過(guò)程中軸線相互平行，并相互接觸受壓。由彈性力學(xué)可知，其接觸應(yīng)力的計(jì)算符合 公式（注： 公式的應(yīng)用條件：兩個(gè)軸線平行的圓柱體相互接觸并受壓求接觸應(yīng)力）。各零件在接觸受壓時(shí)，其接觸? ?2/t a n11 ?? ?????? ZR TZR TF SS? ?2/tan1 ???? ZR TF S長(zhǎng)春工業(yè) 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 19 面積為一狹長(zhǎng)矩形，最大接觸應(yīng)力發(fā)生在接觸區(qū)中 心線上（其結(jié)論論證過(guò)程略），且其值為： 上式中： Fn：作用在圓柱體上的載荷 b：接觸長(zhǎng)度 ρ 1，ρ 2： 分別為相互接觸零件曲率半徑 μ 1,μ 2： 分別為 相互接觸零件材料的泊松比 E1, E2： 分別為 兩圓柱體材料的彈性模量 式中的“ +”號(hào)用于外接觸，“ ”號(hào)用于內(nèi)接觸。 對(duì)于超越離合器來(lái)說(shuō) ，可查表取： μ 1 =μ 2 = E1 = E2 = 210GPa 所以：圓柱滾子與外環(huán)齒輪的接觸應(yīng)力為：（內(nèi)接觸情況） 圓柱滾子與內(nèi)環(huán)凸輪的接觸應(yīng)力為：（外接觸情況） 注：此時(shí)實(shí)際上是圓柱和平面接觸受壓情況， 代 入計(jì)算的時(shí)候平面的曲率半徑是無(wú)窮大，所以 其 倒數(shù)是零。如果我們?nèi)∧Σ料禂?shù)均相等的)11()2/t a n ()11( RrLZR ETsL RrEFnH ???? ????? ??)2/t a n ()11( ?? ???? ????? rLZR ETsL RrEFnH第三章 ZL30 變速箱超越離合器的設(shè)計(jì) 20 話則有圓柱滾子兩處受壓載荷相等（即 F2 = F1）。 (1)接觸疲勞強(qiáng)度的判定條件： 其中： limH? 為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的材料的接觸疲勞極限 SH 為許用安全系數(shù)。由于接觸應(yīng)力是局部性的應(yīng)力，且應(yīng)力的增長(zhǎng)與載荷 Fn 并不呈直線關(guān)系（由計(jì)算公式可以得出），而要緩慢的多，故安全系數(shù) SH可取 等于或稍大于 1 即可。 (2)彈簧力的計(jì)算 頂銷式圓柱滾子超越離合器的圓柱滾子是靠彈簧的作用推向其楔緊位置的。當(dāng)超越離合器工作時(shí)，圓柱滾子上由于受到離心力的作用，總是力圖從與從動(dòng)件的接觸點(diǎn)向外偏移，為了克服滾柱的偏移，保證超越離合器的正常工作，安裝的彈簧應(yīng)有足夠的壓力來(lái)抵消這種偏移力。具體來(lái)說(shuō)，彈簧的強(qiáng)度應(yīng)能克服驅(qū)動(dòng)件在超越離合器最大轉(zhuǎn)速下的離心力。作用在圓柱滾子上的離心力 Fl 可由下式確定： 上式中： M: 圓柱滾子的質(zhì)量 ：圓柱滾子中心到內(nèi)環(huán)凸輪軸線的距離。 在楔緊狀態(tài)下 =（ Rr） 。 n ：超越離合器最大轉(zhuǎn)速 單位： r/min 這個(gè)徑向離心力引起彈簧所需要克服的切向力 Ft 根據(jù)其幾何關(guān)系有： Ft = Fl ?tan( ) = ? ? SHHHHH l i m, ???? ?? 而2)30( ?? nRmFl ???R?R)t a n()30( 2 ??? nRm ?長(zhǎng)春工業(yè) 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 21 因此彈簧的預(yù)緊力要大于 Ft，以防止圓柱滾子在離心力的作用下脫離楔緊位置。 超越離合器主要參數(shù)的選擇 (1)．楔形角 α的選擇： 由第五部分中的設(shè)計(jì)計(jì)算工程中我們可得出： ? ? 12/tan ?? ? 因此有： α? 2arctan(μ 1) 查表，假如μ 1取值為μ 1 = ，此時(shí)： α? 2arctan() = 8176。 通過(guò)數(shù)據(jù)分析，楔形角 α 的大小對(duì)超越離合器的工作性能有著顯著的影響。如果 α 過(guò)大，其承載能力雖然會(huì)提高，但很難保證圓柱滾子能夠可靠的楔緊，在工作過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象，致使圓柱滾子與內(nèi)、外環(huán)工作面接觸處產(chǎn)生嚴(yán)重的滑動(dòng)摩擦，零件磨損加快，造成超越離合器穩(wěn)定性差。如果 α 過(guò)小，圓柱滾子雖然容易楔緊，但是器楔緊力將會(huì)增大，致使圓柱滾子不能自動(dòng)分離。根據(jù) 公式，α適當(dāng)?shù)脑龃髸?huì)使得接觸副間的接觸應(yīng)力降低。根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)資料數(shù)據(jù)，楔形角 α 一般在 6176。 ~8176。 之間選取。 (2)．圓柱滾子半徑 r 的選擇 由 Hertz 公式可知，圓柱滾子半徑越大，摩擦副間的接觸應(yīng)力越小。但圓柱滾子半徑的大小在很大程度上受到超越離合器結(jié)構(gòu)尺寸的限制。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)資料統(tǒng)計(jì)，圓柱滾子半徑一般選取 r = ~ mm (3)．外環(huán)齒輪內(nèi)徑 R 的選擇 同樣由 Hertz 公式可得出，外環(huán)齒 輪內(nèi)徑 R 越大，其接觸應(yīng)力越小。但外環(huán)齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸不僅受到超越離合器本身的結(jié)構(gòu)尺寸限制，還受第三章 ZL30 變速箱超越離合器的設(shè)計(jì) 22 到變速箱里的裝配尺寸限制，過(guò)大會(huì)造成裝配困難或根本無(wú)法裝配。一般來(lái)說(shuō)，外環(huán)齒輪內(nèi)徑 R 的選擇范圍為 R = (8~20)r。由圓柱滾子半徑 r 的選取范圍可推算外環(huán)齒輪的選取范圍為： R = 104 ~ 300mm (4).圓柱滾子數(shù)目 Z 的選擇 超越離合器中圓柱滾子數(shù)目 Z 越多，分布到每一個(gè)圓柱滾子上的載荷就越小，超越離合器的受力也越均勻。所以，增多圓柱滾子的數(shù)目，能有效的降低接觸應(yīng)力大小。但過(guò)多的數(shù)目會(huì)導(dǎo)致超越離合器結(jié)構(gòu)變大， 對(duì)于輪式裝載機(jī)而言，圓柱滾子數(shù)目一般取經(jīng)驗(yàn)值 Z = 16 ~ 30。 (5).圓柱滾子長(zhǎng)度 L 的選擇 從降低接觸應(yīng)力的角度上來(lái)說(shuō)，圓柱滾子長(zhǎng)度越大越好（由 Hertz 公式可 看出）。并且若圓柱滾子長(zhǎng)度 L 值取太小，則支撐每個(gè)圓柱滾子的兩個(gè)頂銷孔間的距離也就很近。在工作過(guò)程中，圓柱滾子容易發(fā)生歪斜現(xiàn)象，這樣就會(huì)造成圓柱滾子局部受力很大而變形失效。如果圓柱滾子長(zhǎng)度過(guò)大，外環(huán)齒輪內(nèi)孔、內(nèi)環(huán)凸輪滾道平面的表面粗糙度和不平度對(duì)圓柱滾子的楔入和旋出狀態(tài)就有較大的影響，常常會(huì)造成圓柱滾子不正常楔入而加大磨損，在較大程度上影響超越 離合器的使用壽命。一般來(lái)說(shuō) ,圓柱滾子長(zhǎng)度的選取范圍是 L = ( ~ ) r . (6).內(nèi)環(huán)凸輪滾道平面高度 h（即內(nèi)環(huán)凸輪中心與滾道平面的距離）的計(jì)算 內(nèi)環(huán)凸輪滾道平面高度 h 是超越離合器中比較重要的尺寸參數(shù)，特別是在保持架式圓柱滾子超越離合器中， h 尺寸的加工精度直接影響超越離合器的工作情況。根據(jù)幾何關(guān)系有： 當(dāng) r、 R 、 ? 確定了以后， h 便可根據(jù)公式直接計(jì)算了。 rrRhrR rh ?????? ?? c os)(c os 則有：長(zhǎng)春工業(yè) 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 23 超越離合器設(shè)計(jì)改進(jìn)的幾種新思路簡(jiǎn)介： (1)．用板彈簧替代 頂銷。 頂銷式圓柱滾子超越離合器的每一個(gè)圓柱滾子均由兩個(gè)頂銷支撐，在彈簧的作用下推動(dòng)圓柱滾子與外環(huán)齒輪和內(nèi)環(huán)凸輪滾道面保持接觸。一個(gè)超越離合器如果按 24 個(gè)圓柱滾子計(jì)算，則有 48 根頂銷、48 根彈簧。在工作過(guò)程中，如果有一根頂銷被卡死壓壞或一根彈簧失效的話就會(huì)使得圓柱滾子不能正常的楔緊和旋出，造成零件磨損加劇，最后常常導(dǎo)致超越離合器不能自動(dòng)分離。假如用板彈簧替代頂銷的話，一根板彈簧支撐一個(gè)圓柱滾子，通過(guò)計(jì)算板彈簧只需要壓縮大約~ 左右就能提供足夠的推進(jìn)力推緊圓柱滾子進(jìn)入楔入狀態(tài)。并且板 彈簧提供的彈力均勻的施加在圓柱滾子上，克服了頂銷式或保持架式超越離合器由于滾柱歪斜楔入或旋開(kāi)造成滾子局部受力過(guò)大而變形失效的問(wèn)題。采用板彈簧后，圓柱滾子在楔形空間里的運(yùn)動(dòng)范圍可減少，即內(nèi)環(huán)凸輪滾道的長(zhǎng)度可減少，這樣就可以提供出空間安裝更多的滾子數(shù)目，根據(jù) Hertz 公式，圓柱滾子數(shù)目越多，摩擦副間的接觸應(yīng)力將越低，這為克服國(guó)內(nèi)現(xiàn)在的超越離合器接觸強(qiáng)度普遍偏低的困難提高了有效解決途徑。 (2)．直接采用液壓油推動(dòng)圓柱滾子 直接制造封閉油腔利用液壓油來(lái)推動(dòng)頂銷（小型活塞）使圓柱滾子進(jìn)入楔進(jìn)狀態(tài)，完全取消彈簧。由于 液體內(nèi)部壓力到處一致，使得各頂銷獲得的壓力相等，這樣圓柱滾子受力均勻，有利于改善其工作狀態(tài)。這種思路雖然也使得超越離合器擺脫了因?yàn)閺椈墒Ф荒苷９ぷ鞯膯?wèn)題。但是它對(duì)超越離合器又提出了新的要求。首先提供液壓力的各油道的設(shè)計(jì)勢(shì)必將會(huì)改變現(xiàn)有超越離合器零件的結(jié)構(gòu)尺寸。其次，對(duì)超越離合器的密封性能提出了要求，這就給零件制造，裝配第四章 行星排的設(shè)計(jì) 24 帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。 4 行星排的設(shè)計(jì) 行星排的基本概念 復(fù)雜的行星齒輪變速 箱 是由基本行星機(jī)構(gòu)組合而戊，行星齒輪變速箱 中所采用的基本行星機(jī)構(gòu)大多數(shù)是單 排 內(nèi)、外嚙合行星機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn) 稱行星排。它有單行星和雙行星兩種，如圖 4— 1 所 示。 行星排有三個(gè)基本 元件： 太陽(yáng)輪、齒圈、行星架，分別用符號(hào) s、 r、 c 來(lái)表示，行星輪以符號(hào)p 來(lái)表示 ( 注：各種資料的命名各有不同，無(wú)特殊說(shuō)明，本說(shuō)明書(shū)中沿用此種表達(dá)方式 )。 行星排的分析 運(yùn)動(dòng)分析 行星輪系可看作由定軸輪系轉(zhuǎn)化而來(lái)。以行星排為例來(lái)看，可把太陽(yáng)輪、齒 圈 、行星輪都看作是支承在行星架上的齒輪。當(dāng)行星架固定不動(dòng)時(shí)為定軸輪系，當(dāng)行星架以太陽(yáng)輪軸線 (也即齒圈軸線 )為中心線旋轉(zhuǎn)起來(lái)了就變成了行星輪系。 因此 ，行星 排 的運(yùn) 動(dòng)可看作是兩部分運(yùn)動(dòng)的合成：行星架帶著其上各齒輪 (包括太陽(yáng)輪和齒圈 )以行星架轉(zhuǎn)速作整體轉(zhuǎn) 動(dòng)這可定義為 牽連運(yùn)動(dòng)，牽連運(yùn)動(dòng)中各齒輪不產(chǎn)生嚙合傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)；行星架上相互嚙合的齒輪相對(duì)行星架作嚙合轉(zhuǎn) 動(dòng) 這 可定義為 相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 長(zhǎng)春工業(yè) 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 25 只有牽連運(yùn)動(dòng)而無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則整個(gè)行星排作整體轉(zhuǎn)動(dòng)，這種情況 被稱做為閉鎖成 直接傳動(dòng)；只有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)而無(wú)牽連運(yùn)動(dòng)則變?yōu)槎ㄐ鋫鲃?dòng)。 只看相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也就是站在行星架上 觀 察時(shí)，